Question

某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分进行研究。

（1）提出假设:①该反应的气体产物是CO₂。   ②该反应的气体产物是CO。

③该反应的气体产物是________

设计方案如图所示，将一定量的氧化铁在隔绝空气的条件下与过量炭粉完全反应，测定参加反应的碳元素与氧元素的质量比。

（2）查阅资料

氮气不与碳、氧化铁发生反应。实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠(NaNO₂)饱和溶液混合加热反应制得氮气。请写出该反应的离子方程式：________________________。

（3）实验步骤

①按上图连接装置，并检查装置的气密性，称取3.20 g氧化铁、2.00 g碳粉混合均匀，放入48.48 g的硬质玻璃管中；

②加热前，先通一段时间纯净干燥的氮气；

③停止通入N₂后，夹紧弹簧夹，加热一段时间，澄清石灰水（足量）变浑浊；

④待反应结束，再缓缓通入一段时间的氮气。冷却至室温，称得硬质玻璃管和固体总质量为52.24 g；

⑤过滤出石灰水中的沉淀，洗涤、烘干后称得质量为2.00 g。

步骤②、④中都分别通入N₂，其作用分别为____________

（4）数据处理

试根据实验数据分析，写出该实验中氧化铁与碳发生反应的化学方程式：______________。

（5）实验反思

学习学习小组有同学认为应对实验装置进一步完善。

①甲同学认为：应将澄清石灰水换成Ba(OH)₂溶液，其理由是__________________。

②此装置存在一定缺陷，请你指出___________________________。

Answer

（1）CO和CO2的混合物（2分） （2）NH4++NO2-N2↑+2H2O（2分）

（3）②的作用：反应前排尽装置内的空气（1分）；

④的作用：确保反应得到的CO2全部通过B装置（1分）

（4）Fe2O3+2C2Fe+CO↑+CO2↑（2分，未标条件扣1分）

（5）①Ba(OH)2的溶解度大于Ca(OH)2，保证产生的CO2全部被装置B吸收，避免其逸出造成测定误差（2分） ②没有尾气处理装置（2分）

【解析】

试题分析：（1）在还原氧化铁的反应中碳既可以被氧化生成CO，也可能被氧化生成CO2，故假设③应是CO2、CO的混合物。

（3）生成物有氮气，说明是氧化还原反应，反应式为NH4++NO2-N2↑+2H2O。

（4）在实验过程中应防止空气参与反应，所以实验前用氮气排尽装置中的空气。实验结束后，为了把生成的气体全部排出，又需要用氮气排尽生成的气体，确保反应得到的CO2全部通过B装置。

（5）根据⑤可知生成物CO2的物质的量是，质量是0.88g。根据④可知反应中生成的气体共48.48g+3.2g+2.0g－52.24g＝1.44g，因此CO的质量是1.44g－0.88g＝0.56g，其物质的量是

。即CO和CO2的体积之比是1︰1，所以反应式为Fe2O3+2C2Fe+CO↑+CO2↑。

（6）①氢氧化钙的溶解度小，溶液的浓度低，吸收CO2的效果差。氢氧化钡的溶解度大，吸收CO2的效果要好。且碳酸钡的相对分子质量大于碳酸钙的，称量时误差小。

②CO有毒，因此要有尾气处理装置。

【考点定位】本题主要是考查实验方案设计、探究与评价，侧重于碳与氧化铁反应的实验探究

【名师点晴】实验方案的设计要点及评价角度

（1）设计要点：实验方案的设计要明确以下要点：①题目有无特殊要求 ②题给的药品、装置的数量 ③注意实验过程中的安全性操作 ④会画简单的实验装置图 ⑤注意仪器的规格 ⑥要防倒吸、防爆炸、防燃烧、防暴沸、防氧化、防吸水、冷凝、冷却、水浴加热时采取相应措施 ⑦同一仪器在不同位置的相应作用等 ⑧要严格按照“操作(实验步骤)＋现象＋结论”的格式叙述。

（2）评价角度：

①操作可行性评价：实验原理是否科学、合理，操作是否简单、可行，基本仪器的使用、基本操作是否正确。

②经济效益评价：原料是否廉价、转化率是否高，产物产率是否高。

③环保评价：原料是否对环境有污染，产物是否对环境有污染，污染物是否进行无毒、无污染处理。